锅炉燃烧理论基础

第一章锅炉燃烧理论基础第一节燃烧理论解决问题学习燃烧理论的目的是为了了解认识燃烧过程的本质，掌握燃烧过程的主要规律，以便控制燃烧过程的各个阶段，使其按照人们的要求的速度进行，燃烧理论解决的问题是：(1)判断各种燃料的着火可能性，分析影响着火的内因条件与外因条件以及着火过程基本原理，保证燃料进入炉内后尽快稳定地着火，保证燃烧过程顺利进行。(2)研究如何提高燃料的燃烧速度，使一定量的燃料在有限的空间和时间内尽快燃烧，分析影响燃烧速度的内因条件与外因条件，以及燃尽过程的基本原理，提出加速燃烧反应，提高燃烧效率的途径。(3)燃烧理论来源于生产实践和科学试验。反过来又指示出燃烧技术进步与发展的方向。第二节质量作用定律---化学反应速度1．质量作用定律燃烧是一种发光发热的化学反应。燃烧速度可以用化学反应速度来表示。在等温条件下，化学反应速度可用质量作用定律表示。即反应速度一般可用单位时间，单位体积内烧掉燃料量或消耗掉的氧量来表示。可用下面的式子表示炉内的燃烧反应：ａＡ＋ｂＢ==ｇＧ＋ｈＨ(5-1)(燃料)(氧化剂)(燃烧产物)化学反应速度可用正向反应速度表示，也可用逆向反应速度来表示。即（5-2）(5-3)2.质量作用定律的意义质量作用定律说明了参加反应物质的浓度对化学反应速度的影响。其意义是：对于均相反应，在一定温度下，化学反应速度与参加反应的各反应物的浓度乘积成正比，而各反应dtdCWAA—=dtdCWBB—=dtdCWGG=dtdCWHH=物浓度的方次等于化学反应式中相应的反应系数。因此，反应速度又可以表示为：(5-4)式中ＣA,ＣB---反应物A,B的浓度a,b---化学反应式中，反应物A,B的反应系数；kA,kB---反应速度常数。3．多相燃烧的化学反应速度对于多相反应，如煤粉燃烧，燃烧反应是在固体表面上进行的，固体燃料的浓度不变，即CA=1。反应速度只取决于燃料表面附近氧化剂的浓度。用下式表示：(5-5)式中ＣB----固体燃料表面附近氧的浓度上式说明，在一定温度下，提高固体燃料附近氧的浓度，就能提高化学反应速度。反应速度越高，燃料所需的燃尽时间就越短。上述关系只反映了化学反应速度与参加反应物浓度的关系。事实上，反应速度不仅与反应物浓度有关，更重要的是与参加反应的物质本身有关，具体地说，与煤或其它燃料的性质有关。化学反应速度与燃料性质及温度的关系可用阿累尼乌斯定律表示。阿累尼乌斯定律在实际燃烧过程中,由于燃料与氧化物(空气)是按一定比例连续供给的,当混合十分均匀时,可以认为燃烧反应是在反应物质浓度不变的条件下进行的.这时,化学反应速度与燃料性质及温度的关系为:k＝k0ｅ(－E/RT)(5-6)式中,k0--相当于单位浓度中，反应物质分子间的碰撞频率及有效碰撞次数的系数E—反应活化能；R—通用气体常数；T—反应温度：bBaAAAACCkdtdCW==—bBaABBBCCkdtdCW==—bBABBBCfkdtdCW==—k—反应速度常数（浓度不变）。阿累尼乌斯定律说明了燃料本身的“活性”与反应温度对化学反应速度的影响的关系。什么是燃料的“活性”呢？可以简单地理解为燃料着火与燃尽的难易程度。例如，气体燃料比固体燃料容易着火，也容易燃尽。而不同的固体燃料，“活性”也不同，烟煤比无烟煤容易着火，也容易燃尽。因此，燃料的“活性”也表现为燃料燃烧时的反应能力。燃料的“活性”程度可用“活化能”来表示。第三节影响化学反应速度的因素质量作用定律和阿累尼乌斯定律指出了影响燃烧反应速度的主要因素是反应物的浓度．活化能和反应温度。一．反应物浓度的影响虽然认为实际燃烧过程中，参加反应物质的浓度是不变的，但实际上，在炉内各处．在燃烧反应的各个阶段中，参加反应的物质的浓度变化很大。在燃料着火区，可燃物浓度比较高，而氧浓度比较低。这主要是为了维持着火区的高温状态，使燃料进入炉内后尽快着火。但着火区如果过分缺氧则着火就会终止，甚至引起爆炸。因此在着火区控制燃料与空气的比例达到一个恰到好处的状态，是实现燃料尽快着火和连续着火的重要条件。反应物浓度对燃烧速度的影响关系比较复杂，将在后面的内容中加以分析。二．活化能对燃烧速度的影响1．活化能概念燃料的活化能表示燃料的反应能力。活化能的概念是根据分子运动理论提出的，由于燃料的多数反应都是双分子反应，双分子反应的首要条件是两种分子必须相互接触，相互碰撞。分子间彼此碰撞机会和碰撞次数很多，但并不是每一个分子的每一次碰撞都能起到作用。如果每一个分子的每一次碰撞都能起到作用，那么即使在低温条件下，燃烧反应也将在瞬时完成。然而燃烧反应并非如此，而是以有限的速度进行。所以提出只有活化分子的碰撞才有作用。这种活化分子是一些能量较大的分子。这些能量较大的分子碰撞所具有的能量足以破坏原有化学键，并建立新的化学键。但这些具有高水平能量的分子是极少数的。要使具有平均能量的分子的碰撞也起作用，必须使他们转变为活化分子，这一转变所需的最低能量称为活化能，用Ｅ表示。所以活化分子的能量比平均能量要大，而活化能的作用是使活化分子的数目增加。图5-1表示出活化能的意义。从图可见，要使反应物由Ａ变成燃烧产物Ｇ，参加反应的分子必须首先吸收活化能Ｅ，使活化分子数目增多，达到活化状态，数目较多的分子产生有效碰撞，发生反应而生成燃烧产物，并放出比Ｅ1（活化能）更多的能量Ｅ2，而燃烧反应的净放热量为Ｑ。能量活化状态E1ΔE2．燃料的活化能对燃烧速度的影响在一定温度下，某一种燃料的活化能越小，这种燃料的反应能力就越强，而且反应速度随温度变化的可能性就减小，即使在较低的温度下也容易着火和燃尽。活化能愈大的燃料，其反应能力愈差，反应速度随温度的变化也愈大，即在较高的温度下才能达到较大的反应速度，这种燃料不仅着火困难，而且需要在较高的温度下经过较长的时间才能燃尽。燃料的活化能水平是决定燃烧反应速度的内因条件。一般化学反应的活化能大约在42～420kJ/mol，活化能小于42kJ/mol的反应，反应速度极快，以至难于测定。活化能大于420kJ/mol的反应，反应速度缓慢，可认为不发生反应。燃煤的活化能及频率因子可在沉降炉中测定，表5-1是国内四种典型煤种的测定结果。不同的测试仪器所测量的数据差别较大，因此，只有同一仪器测量的数据才具有可比性。煤种Ｖdaf频率因子活化能%g/(cm2.s.MPa)KJ/mol无烟煤5.1596.8385.212贫煤15.1812.6155.098烟煤33.407.8945.452烟煤41.025.3138.911反应过程E2三．温度对燃烧速度的影响温度对化学反应的影响十分显著。随着反应温度的升高，分子运动的平均动能增加，活化分子的数目大大增加，有效碰撞频率和次数增多，因而反应速度加快。对于活化能愈大的燃料，提高反应系统的温度，就能愈加显著地提高反应速度。第一节热力着火理论一．热力着火理论的实用性煤粉燃烧过程的着火主要是热力着火，热力着火过程是由于温度不断升高而引起的。因为煤粉燃烧速度很快，燃烧时放出的大量热量使炉膛温度升高，而炉温升高促使燃烧速度加快；反应放热增加，又使炉温进一步提高。这样相互作用、反复影响，达到一定温度时，就会发生着火。着火过程有两层意义：一是着火是否可能发生，二是能否稳定着火。只有稳定着火，才能保证燃烧过程持续稳定的进行，否则就可能中途熄火，使燃烧过程中断。在炉膛四周布置的水冷壁直接吸收火焰的辐射热，因而燃料燃烧时放出的热量，同时向周围介质和炉膛壁面散热。这时，要使可燃物着火并连续着火，必须使可燃物升温。二．实现稳定着火的两个条件：1、放热量和散热量达到平衡，放热量等于散热量。2、放热速度大于散热速度如果不具备这两个条件，即使在高温状态下也不能稳定着火，燃烧过程将因火焰熄灭而中断，并不断向缓慢氧化的过程发展。三．热力着火过程的特性曲线燃烧室内可燃混合物燃烧放热量为：（5-7）向周围环境散失的热量为：21QQ=dTdQdTdQ21≥rnORTEoVQCekQ21—=Q2=αS（Ｔ-Ｔｂ）（5-8）CO2--煤粉反应表面氧浓度；N--燃烧反应中氧的反应系数；V--可燃混合物的容积；Qr--燃烧反应热；Ｔ--燃烧反应物温度；Ｔｂ--燃烧室壁面温度；α--混合物向燃烧室壁面的放热系数；图5-3热力着火过程曲线S--燃烧室壁面面积。点1：缓慢氧化状态点2：着火点，点3：高温燃烧状态点4：熄火点，点5：氧化状态熄火温度ＴXh总是比着火温度ＴZh高。着火温度和熄火温度并不是常数，它们随放热条件而变。四．煤、煤粉气流和气体燃料的着火温度挥发分大的烟煤，活化能小，反应能力强，着火温度低，即使周围散热条件较强，也容易稳定着火；挥发分很低的无烟煤，活化能大，反应能力低，着火温度最高，需要减小周围散热，维持高温状态，才能稳定着火。表5-3各种煤的着火温度15243煤种无烟煤烟煤褐煤着火温度℃700～800400～500250～450表5-4煤粉气流中煤粉颗粒的着火温度煤种无烟煤贫煤(Vr=14％)烟煤褐煤着火温度℃1000900650～840550表5-5液体燃料和气体燃料的着火温度燃料高炉煤气发生炉煤气炼焦煤气天然气石油着火温度℃530530300～500530360～400着火温度五．锅炉运行中的热力着火分析放热速度与散热速度是相互作用的。在实际炉膛内，当燃烧处于高负荷状态时，由于燃煤量增加，燃烧放热量比较大，而散热量变化不大，因此使炉内维持高温状态。在高负荷运行时，容易稳定着火。当燃烧处于低负荷运行时，由于燃煤量减少，燃烧放热量随之减小，这时相对于单位放热量的散热条件却大为增加，散热速度加快，因此炉内火焰温度与水冷壁表面温度下降，使燃烧反应速度降低，因而放热速度也就变慢，进一步使炉内处于低温状态。在低负荷运行状态下，稳定着火比较困难，因此需要投入助燃油等燃料来稳定着火燃烧。对于低反应能力的10007008009001100Vdaf5152535无烟煤和劣质烟煤，不但着火困难，而且难于稳燃，因而容易熄火”打炮”。从以上分析，可得到提示：(1)着火和燃烧温度与水冷壁面积、进入炉内的新气流初温度相关。(2)在炉内可自动到达稳定着火状态，如果点火区的温度与燃料的活性不相适应，就需投入助燃油或采用强化着火的措施。第三节火焰的传播一．火焰传播理论的实用性燃料燃烧过程中，火焰的稳定性与火焰传播速度关系极大。电厂燃烧系统的安全运行也与火焰传播速度关系密切。例如，煤粉管道中某一处着火后，火焰迅速蔓延、扩散，导致制粉系统着火或爆炸。了解火焰传播的知识，有助于掌握燃烧过程的调整要领，对稳定着火非常有用。二．层流火焰传播在静止的可燃气体混合物中，缓慢燃烧的火焰传播是依靠导热或扩散使未燃气体混合物温度升高，火焰一层一层的依次着火。火焰传播速度一般为20～100cm/s。三．湍流火焰传播湍流火焰传播速度加快，一般为200cm/s以上。火焰短，燃烧室尺寸紧凑，湍流火焰易产生噪声。四．火焰传播形式1．正常的火焰传播（缓慢燃烧）正常的火焰传播是指可燃物在某一局部区域着火后，火焰从这个区域向前移动，逐步传播和扩散出去，这种现象就称为火焰传播。正常的火焰传播过程中，火焰传播速度比较缓慢，约为1～3m/s，燃烧室内压力保持不变。炉内煤粉气流正常燃烧的火焰传播就属于正常的火焰传播。2．反应速度失去控制的高速爆炸性燃烧炉膛内火焰传播为湍流火焰，火焰传播速度很快。出现爆炸性燃烧时，火焰传播速度极快，达1000-3000m/s，温度极高，达6000℃；压力极大，达2026500Pa(20.67)大气压)。爆燃是由于可燃物以极高的速度反应，以至于反应放热来不及散失，因而使温度迅速升高，压力急剧增大。而压力的急剧增大是由于高温烟气的比容比未燃烧的可燃混合物的比容大得多，高温烟气膨胀产生的压力波，使未燃混合物绝热压缩，火焰传播速度迅速提高，以致产生爆炸性燃烧。3．正常燃烧向爆炸性燃烧的转变当火焰正常燃烧时，有时会发生响声。此时，如果缩热压缩很弱，不会引起爆炸性燃烧。但当未燃混合物数量增多时，绝热压缩将逐渐增强，缓慢的火焰传播过程就可能自动加速，转变为爆炸性燃烧。五．不同燃料的